触覚提示装置

【課題】多様な押下感を高い信頼度で提供することができる触覚提示装置を実現する。
【解決手段】触覚を提示するためのパネルと、該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段とを有し、該制御手段は、発生させた振動波形の立ち上がり部分に変曲点があるように前記パネルを振動させる。この変曲点前後の勾配の差や変曲点の位置を変えることにより様々な押下感を得ることができる。例えば、スイッチの重さがより重くなった様に感じさせるためには無振動部分の時間を長くするか、又は勾配をきつくする。また、強いクリック感を得るためには、勾配変化度合いを大きくすれば良い。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は触覚提示装置に関し、特に、触覚を提示するためのパネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する機能を有する触覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、ＰＤＡ、ＡＴＭ端末、ＰＯＳ端末、カーナビゲーション、コピー機等においてペンや指で平面状のパネル面を押下し、座標を検出・入力するタッチパネルが使われることが多くなってきている。これまでのタッチパネル入力機構は機械スイッチのような押下時のタクタイル感（クリック感）が無く、押下が認識し難いことが課題となっている。
【０００３】
パネル状平面部材を振動させて操作者に触覚を得させる波形に関しては、特許文献１において、図１の様な触覚提示波形が例示されている。図１（ａ）は５から１０ｍｓｅｃ幅のパルス２回発生させたものであり、瞬間的に２回振動する。図１（ｂ）は２０から３０Ｈｚの正弦波交流の駆動電圧波形、図１（ｃ）は数１００μｓｅｃの周期の交流の駆動電圧波形で振動の感触でなく、操作音を発生させるものである。図１（ｄ）は図１（ａ）と図１（ｃ）の組合せである。
【０００４】
また、特許文献２には、タッチパネルを２段重ねした構成が開示されており、図２（ａ）から（ｃ）に示す触覚波形が記載されている。
【特許文献１】特開２００４−２１６９７号公報
【特許文献２】特開２００２−２５９０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１に示す特許文献１に記載の波形においては、単に方形波パルスを２つ出すだけであり、図３に示すキーボード等のタクタイル波形の感覚を表現する事はできない。
【０００６】
また、図２に示す特許文献２に記載の構成は２枚のタッチパネルを重ねて図２（ａ）の特性が出ているのであって、タッチパネルのドットスペーサの高さは通常、１０μｍ程度である。よって、２枚重ねても変位は２０μｍ程度であるので、特許文献２に記載されている様に、接触時点が使用者には感覚的に明確に判然としない。従って、図２（ｂ）もしくは（ｃ）の様な触覚フィードバックを与えることが必要であったが、これについてもキーボードの押下感を表現するのは困難であった。
【０００７】
従って、本発明は上記従来技術の課題を解決し、多様な押下感を高い信頼度で提供することができる触覚提示装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、触覚を提示するためのパネルと、該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段とを有し、該制御手段は、発生させた振動波形の立ち上がり部分に変曲点があるように前記パネルを振動させることを特徴とする触覚提示装置である。パネルを垂直方向へ振動させ、人がそのパネルに触れて振動を感じる場合、キーボードのキースイッチ押下時のような押下感（押すのに抗する力、つまり指が押される力）を得るためには、波形の途中に勾配変化の生じる変曲点を設けることが有効である。この変曲点前後の勾配の差や変曲点の位置を変えることにより様々な押下感を得ることができる。例えば、スイッチの重さがより重くなった様に感じさせるためには無振動部分の時間を長くするか、又は勾配をきつくする。また、強いクリック感を得るためには、勾配変化度合いを大きくすれば良い。
【０００９】
ここで、本発明者が検討した理想的な押下特性を図３に示す。図３の横軸は押し込み量(Displacement)、縦軸は力（Force）である。図３の実線で示すように、押し込むにつれて次第に力が大きくなっていき、あるところまで押し込まれたたらスッと力が抜け、その後また力がかかり、最終的には無限大になる。本発明は、この押下特性を実現する。なお、図３の破線は、帰り（戻り）を示している。戻りは徐々に弱まり、あるところで抵抗がおおきくなってまた弱まっていく。本発明は、このような戻り特性は考慮していない。
【００１０】
図３の押下特性を実現するために、前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触してから約５０ｍｓ以上の無振動部分を経た後、前記パネルを振動させることが好ましい。
【００１１】
また、図３の押下特性を実現するために、好ましくは、上記触覚提示装置は前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後、図４に示すように、
（１）移動開始までの無振動部分
（２）徐々に手前に動く（押下面が上方向（押下方向と反対方向）に動く、つまり指を押すように動く）移動量が徐々に増大する部分
（３）緩やかに移動する部分
（４）振幅が徐々に減少し０まで戻る部分
を有するように前記パネルを駆動するとともに、上記（２）と（３）の間に、時間当たりの移動量が変化し、増大の度合いが緩やかになる変曲点を有する波形からなる振動を発生させる構成とする。このように、波形を４つの部分に分け、上記（２）と（３）の部分に増大の度合いが緩やかになる変曲点を有する部分からなる振動を発生させることで、指に図３に示すような荷重変化を与えることができ、押下感を表現することができる。
【００１２】
また、上記触覚提示装置は前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）移動開始までの無振動部分
（２）徐々に手前に動く移動量が徐々に増大する部分
（３）緩やかに移動する部分
（４）振幅が徐々に減少し０まで戻る部分
を有するように前記パネルを駆動するとともに、上記（３）、（４）の波形が周期関数の一部からなる振動を発生させる構成とすることもできる。
【００１３】
より具体的には、上記（１）〜（４）を以下のように記述することができる。すなわち、前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）無振動部分
【００１４】
【数１９】

【００１５】
【数２０】

という波形で表される立ち上がり部分１
【００１６】
【数２１】

という波形で表される立ち上がり部分２
【００１７】
【数２２】

という波形で表される立ち下がり部分
ただし、
【００１８】
【数２３】

であり、
【００１９】
【数２４】

という関係が成り立つ波形y(t)からなる振動を発生させる構成である。上記式中の時刻ａ〜ｄを図４に図示する。時刻ｂに変曲点が位置する。区間（２）を特定する式（２）は、振動が指数的に大きくなることを示している。ただし、単純な指数的増大では変動が急峻でかつ大きくなり過ぎるため、最大値となるexp(b-a)で正規化して適正化している。区間（３）を特定する式（３）は、区間（２）の終点振幅値k1にその時刻ｂから始まる正弦波を足したものである。区間（３）では、区間（２）の終点振幅値k1よりもk2だけ振幅が増える。区間（４）を特定する式（４）は、区間（３）の終点振幅値k1+k2からその時刻ｃから始まる正弦波を(k1+k2)倍した値を減算するものである。なお、k1とk2に関し、k1をk2よりも小さくするといわゆるクリック感が比較的早い電解で生じ、クリック感発生後も重さが引き続きますことになる。逆にk1をk2よりも大きくすると、クリック感の発生が遅くなり、クリック感発生後はあまり重くならない。
【００２０】
また、別の構成として、前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）無振動部分
【００２１】
【数２５】

【００２２】
【数２６】

という波形で表される立ち上がり部分１
【００２３】
【数２７】

という波形で表される立ち上がり部分２
【００２４】
【数２８】

という波形で表される立ち下がり部分
ただし、
【００２５】
【数２９】

【００２６】
【数３０】

という関係が成り立つ波形y(t)からなる振動を発生させることもできる。
【００２７】
更に別の構成として、前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）無振動部分
【００２８】
【数３１】

【００２９】
【数３２】

という波形で表される立ち上がり部分１
【００３０】
【数３３】

という波形で表される立ち上がり部分２
【００３１】
【数３４】

という波形で表される立ち下がり部分
ただし、
【００３２】
【数３５】

【００３３】
【数３６】

という関係が成り立つ波形y(t)からなる振動を発生させることでもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、多様な押下感を高い信頼度で提供することができる触覚提示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
【００３６】
図５は、本発明の一実施の形態に係る触覚提示装置のブロック図である。触覚提示装置は、パネル１０、制御装置２０、駆動装置３０、変換装置４０及び電圧印加装置４５を有する。パネル１０の一構成例を図６に示す。パネル１０は、ＰＥＴなどのフィルム１１、ＩＴＯなどの上側透明電極１２、ガラス基板１３、下側透明電極１４、及びドットスペーサ１５を有する。上側透明電極１２は、フィルム１１の内側全面に貼付されている。下側電極１４は、ガラス基板１３の内側全面に貼付されている。上側電極１２及び下側電極１４は、図５に示す変換装置４０の入力に接続されている。下側電極１４上には、絶縁体で形成されるドットスペーサ１５がマトリクス状に配置されている。図６の下側に示すように、パネル１０を上からペンや指１６などで押し下げると、フィルム１１が変形して上側透明電極１２が下側透明電極１４に当接する。押下位置の座標検出方法には何通りかあり、いずれの検出方法であってもよい。例えば、図５に示す電圧印加装置４５を用いて、下側透明電極１４のＸ方向（例えば、紙面横方向）に両端から電圧を印加し、押下位置の電位（Ｘ座標位置に相当）を上側透明電極１２を介して検出する。同様に、下側透明電極１４のＹ方向（例えば、紙面垂直方向）に両端から電圧を印加し、押下位置の電位（Ｙ座標位置に装置）を上側透明電極１２を介して検出する。変換装置４０は、このようにして得られたアナログ電圧をディジタル信号に変換して制御装置２０に出力する。別の検出方法として、上側透明電極１２のＸ方向に電圧を印加し、下側透明電極１４を介して押下点の電位（つまり下側透明電極１４の電位）を測定する。次に、下側透明電極１４のＹ方向に電圧を印加し、上側透明電極１２を介して押下点の電位を測定する。これにより、押下点のＸＹ座標データを得ることができる。なお、座標を検出する必要がない場合には、いずれか一方の検出動作を行えばよい。
【００３７】
パネル１０には、図７に示すパネル駆動機構５０が設けられている。パネル駆動機構５０はパネル１０を振動させるもので、Ｘ方向又はＹ方向におけるパネル１０の対向するエッジ付近に設けられている。パネル１０の４つのエッジ全てにパネル駆動機構５０を設けてもよい。パネル駆動機構５０の一構成例を図８及び図９に示す。パネル駆動機構５０はコイル５１、磁石５２、ヨーク５３、支持体５５及びボビン５６を含んで構成されている。断面が略コの字状のヨーク５３の長手方向中心には磁石５２が設けられ、図示するように磁気回路５４が形成されている。ヨーク５３の上部空隙には中空のボビン５６が挿入されている。ボビン５６の外側には、コイル５１が巻回されている。磁束はコイル５６を図示するように横切る。ボビン５６はガラス基板１３に固定されている。ボビン５６に取り付けられたジャバラ状の支持体５５がヨーク５３を支持する。コイル５１に流れる電流の方向に従い、ボビン５６が上下方向に変位することで、パネル１０を振動させることができる。コイル５１は図５に示す駆動装置３０に接続され、ここから電流の供給を受ける。
【００３８】
図５に示す制御装置２０は、図１０のフローチャートに従って動作する。制御装置２０は例えば、マイクロコントローラユニットで構成できる。ステップＳ１１で、制御装置２０は電圧印加装置４５を駆動して、上側透明電極１２に電圧を印加し、ステップＳ１２で下側透明電極１４の電位を検出する。ステップＳ１１、Ｓ１２において、下側透明電極１４に電圧を印加し、上側透明電極１２の電位を測定することでもよい。制御装置２０はステップＳ１３で変換装置４０の出力を監視し、電位が検出されたかどうかを判断する。ステップＳ１３の判断結果がＮＯの場合には、ステップＳ１２に戻る。ＹＥＳの場合には、制御装置２０は駆動装置３０を駆動して、パネル駆動機構５０のコイル５１に電流を与える。制御回路２０はこの電流を制御して、パネル１０を図４に示すように振動させる。具体的には、課題を解決するための手段で説明した構成、具体的には式（１）から式（9）で記述される波形y(t)を実現するように電流を制御する。この電流制御は、予め駆動電流とパネル１０の振動との関係を調べておけば、容易にプログラムすることができる。
【００３９】
このようにして、多様な押下感を高い信頼度で提供することができる触覚提示装置を実現することができる。
【００４０】
以上、本発明の一実施の形態を説明した。本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、他の実施の形態や変形例などを含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】特許文献１に記載されている従来技術を説明するための図である。
【図２】特許文献２に記載されている従来技術を説明するための図である。
【図３】理想的な押下感を示す図である。
【図４】本発明により実現される時間と振動の振幅との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施の形態に係る触覚提示装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示すパネルの一構成例を示す図である。
【図７】図５に示す触覚提示装置が有するパネル駆動機構を説明するための図である。
【図８】図７に示すパネル駆動機構の一構成例を示す図である。
【図９】図７、図８に示すパネル駆動機構の斜視図である。
【図１０】図５に示す制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１０パネル
２０制御装置
３０駆動装置
４０変換装置
４５電圧印加装置
５０パネル駆動機構

【特許請求の範囲】
【請求項１】
触覚を提示するためのパネルと、該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段とを有し、該制御手段は、発生させた振動波形の立ち上がり部分に変曲点があるように前記パネルを振動させることを特徴とする触覚提示装置。
【請求項２】
前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触してから約５０ｍｓ以上の無振動部分を経た後、前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項３】
前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）移動開始までの無振動部分
（２）徐々に手前に動く移動量が徐々に増大する部分
（３）緩やかに移動する部分
（４）振幅が徐々に減少し０まで戻る部分
を有するように前記パネルを駆動するとともに、上記（２）と（３）の間に、時間当たりの移動量が変化し、増大の度合いが緩やかになる変曲点を有する波形からなる振動を発生させることを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項４】
前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）移動開始までの無振動部分
（２）徐々に手前に動く移動量が徐々に増大する部分
（３）緩やかに移動する部分
（４）振幅が徐々に減少し０まで戻る部分
を有するように前記パネルを駆動するとともに、上記（３）、（４）の波形が周期関数の一部からなる振動を発生させることを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項５】
前記パネルに物体が接触したことを検知する検知機能を更に有し、前記制御手段は前記物体が接触した後
（１）無振動部分
【数１】